FR2925388A1 - Dispositif et procede de preparation d'un profile d'un gel thermoplastique elastomere - Google Patents

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Michelin Recherche et Technique SA France
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Abstract

Dispositif de préparation d'un profilé plat d'un gel thermoplastique élastomère comportant :- un outil d'extrusion avec au moins une alimentation et une sortie ;- une filière de section adaptée au profil du profilé plat ;- des moyens de refroidissement en sortie de la filière ; et- un support plan mobile pour recevoir le profilé ;caractérisé en ce que les moyens de refroidissement comprennent un bain de refroidissement liquide à la surface libre duquel est recueilli et refroidi le profilé plat, ladite surface libre étant disposée entre la sortie de la filière et le support plan mobile et à proximité immédiate de la sortie de la filière.

Description

DISPOSITIF ET PROCÉDÉ DE PRÉPARATION D'UN PROFILÉ D'UN GEL THERMOPLASTIQUE ÉLASTOMÈRE Domaine de l'invention [0001] La présente invention concerne un dispositif et un procédé de préparation d'un profilé d'un gel thermoplastique élastomère. Arrière plan technologique [0002] Les gels thermoplastiques élastomères sont des matériaux caractérisés par une très faible dureté, un comportement élastique, c'est-à-dire qu'ils retrouvent leur forme initiale après une déformation, même de grande amplitude, et une température de ramollissement au-delà de laquelle ils deviennent plastiques ce qui facilite leur mise en oeuvre. [0003] De tels gels peuvent notamment avoir comme matrice des élastomères thermoplastiques styréniques (dits TPS ) tels les copolymères blocs styrène/ butadiène/ styrène (SBS), styrène/ isoprène/ styrène (SIS), styrène/ butadiène/ isoprène/ styrène (SBIS), styrène/ isobutylène/ styrène (SIBS), styrène/ éthylène/ butylène/ styrène (SEBS), styrène/ éthylène/ propylène/ styrène (SEPS), styrène/ éthylène/ éthylène/ propylène/ styrène (SEEPS) et les mélanges de ces copolymères. [0004] Pour obtenir une très faible dureté, ces gels comportent aussi des huiles 20 d'extension en proportion élevée. [0005] Ces gels peuvent être préparés en deux étapes. Dans la première étape, les différents constituants du gel sont introduits dans, par exemple, un outil d'extrusion qui plastifie l'élastomère thermoplastique et le mélange avec l'huile d'extension et les autres additifs s'il y a lieu. En sortie d'extrudeuse, le matériau plastique est extrudé par 25 exemple en un jonc qui est coupé pour donner des pellets ou granulés. Pour faciliter le refroidissement du matériau plastique, le document US 2002/0049276 indique que le jonc peut être extrudé et découpé dans de l'eau. - 2
[0006] Les granulats ou pellets peuvent être stockés. Ils sont ensuite repris et injectés dans un moule pour obtenir leurs formes finales. [0007] Ce procédé de fabrication en deux étapes nécessite cependant l'emploi de produits anti-collants pour éviter que les granulats ou pellets ne se collent entre eux. Ces produits anti-collants ont l'inconvénient d'augmenter de façon sensible la dureté des gels. [0008] Le document WO 97/09391 propose de réaliser des adhésifs comportant un support et un gel épais thermoplastique élastomère en extrudant directement le gel plastique sur un support mobile en translation. Ce mode de mise en oeuvre est utilisable lorsque le rapport de forme de l'extrudat est proche de un. Ce n'est plus le cas lorsque l'on cherche à obtenir un profilé plat, c'est-à-dire dont l'épaisseur est beaucoup plus petite que la largeur, et de dimensions contrôlées. On constate en effet que l'état plastique de faible viscosité du matériau en sortie de filière, et son très fort collant, ne permettent pas de maîtriser de façon suffisante les dimensions du profilé plat lors d'une telle mise en oeuvre. Description de l'invention [0009] Dans ce qui suit, on entend par profilé plat , un profilé dont le rapport largeur sur épaisseur est supérieur à 5. [0010] L'invention a pour objet un dispositif de préparation d'un profilé plat d'un gel 20 thermoplastique élastomère comportant : - un outil d'extrusion avec au moins une alimentation et une sortie ; - une filière de section adaptée au profil du profilé plat ; - des moyens de refroidissement en sortie de la filière ; et - un support plan mobile pour recevoir le profilé. 25 [0011] Ce dispositif est caractérisé en ce que les moyens de refroidissement comprennent un bain de refroidissement liquide à la surface libre duquel est recueilli et refroidi le profilé plat, ladite surface libre étant disposée entre la sortie de la filière et le support plan mobile, et à proximité immédiate de la sortie de la filière. -3
[0012] La surface libre du bain de refroidissement liquide a l'avantage de recevoir le matériau plastique de faible viscosité en sortie de filière et de refroidir très efficacement sa paroi inférieure jusqu'à ce qu'il puisse conserver sa forme. Le support plan mobile reçoit à l'extrémité de la surface libre du bain de refroidissement le profilé. La vitesse de déplacement du support plan peut être légèrement supérieure, égale ou inférieure à la vitesse d'extrusion du matériau plastique pour régler finement l'épaisseur du profilé. Le fait de refroidir le matériau plastique de faible viscosité sur la surface libre d'un bain de refroidissement liquide a l'avantage de permettre ces réglages en raison de l'absence totale de frottements entre la surface libre et le profilé. Le caractère très collant du profilé ne perturbe en rien ces réglages fins. La longueur de la surface libre est telle que le profilé plat a une température suffisamment basse pour que la forme du profilé soit bien fixée. [0013] La distance libre entre l'extrémité de la filière et la surface de liquide du bain de refroidissement peut être inférieure à 50 mm et de préférence à 10 mm. [0014] Cette distance libre très courte entre la sortie de la filière et la surface libre du bain de refroidissement liquide permet d'obtenir un profilé dont la géométrie est très proche de celle de la filière. En effet, le matériau plastique, de viscosité très faible, en sortie de filière n'a pas le temps de voir sa géométrie s'altérer, en régime établi, par les forces de gravitation. [0015] L'angle d'inclinaison du plan de la filière relativement à l'horizontale est de préférence compris entre 20 et 70 degrés. Cela permet au matériau plastique d'être reçu par et de flotter sur la surface libre du bain de refroidissement liquide en régime établi sans plonger dans le liquide du bain de refroidissement. Lorsque l'angle a devient trop faible, vers 20 degrés par exemple, l'extrudat plastique s'écoule sur le bord inférieur de la filière et l'écoulement ne peut plus être uniforme. Lorsque l'angle est trop élevé, au-delà de 70 degrés, la géométrie de l'écoulement n'est plus constante et l'extrudat, qui a une consistance très faiblement visqueuse, a tendance à tomber de la filière et à vider la zone d'écoulement par gravitation. - 4
[0016] De préférence, le bain de refroidissement liquide est réfrigéré, par exemple par le passage d'un fluide refroidi dans un serpentin disposé dans le bain de refroidissement liquide à proximité de la surface libre du bain de refroidissement. [0017] Le bain de refroidissement liquide peut aussi comporter des moyens de 5 brassage du liquide. Ce brassage permet d'homogénéiser la température dans le bain de refroidissement. [0018] Avantageusement, ces moyens de brassage induisent un courant de surface orienté dans le sens du déplacement du profilé à la surface de liquide du bain de refroidissement. Cela a l'avantage d'amener naturellement le profilé plat jusqu'au 10 support plan mobile lors du démarrage de l'extrusion du gel thermoplastique. [0019] Un liquide de refroidissement peut être l'eau. Mais beaucoup d'autres liquides peuvent être utilisés dès lors que leur densité est supérieure à celle des gels thermoplastiques élastomères à mettre en oeuvre et qu'ils n'altèrent pas le matériau par dissolution, gonflement ou dépôt de matières. 15 [0020] L'invention a aussi pour objet un procédé de réalisation d'un profilé plat d'un gel élastomère comportant au moins, à titre d'élastomère majoritaire, un élastomère thermoplastique styrénique (dit TPS ) et plus de 200 pce d'une huile d'extension au moyen d'un outil d'extrusion avec au moins une alimentation et une sortie comprenant les étapes suivantes : 20 -introduire les constituants du profilé dans la ou les alimentations de l'outil d'extrusion ; - plastifier et mélanger les constituants pour obtenir un matériau plastique homogène ; - distribuer le matériau plastique à la sortie de l'outil d'extrusion avec une filière de section adaptée au profil du profilé plat ; 25 - refroidir le matériau plastique pour obtenir le profilé ; et - recevoir le profilé sur un support plan mobile. [0021] Ce procédé est caractérisé en ce que l'étape de refroidissement comporte les étapes suivantes : - 5
- extruder le matériau plastifié dans l'air ; et - recevoir et convoyer le matériau plastifié sur la surface libre d'un bain de refroidissement liquide. [0022] De préférence, l'outil d'extrusion comportant au moins une alimentation pour des composants solides et une alimentation pour des composants liquides, les composants introduits dans les alimentations sont les composants élémentaires du profilé. Le dispositif selon l'invention est particulièrement adapté pour réaliser en une seule opération la formulation et la réalisation d'un profilé plat. Cela permet de ne pas utiliser d'anti-collants et ainsi de conserver au profilé plat toutes ses propriétés de collant et de faible dureté. [0023] De préférence, on reçoit le profilé plat, sur un intercalaire anti-collant, siliconé ou sulfurisé, par exemple, disposé sur le support plan mobile. [0024] Il est avantageux de protéger aussi la surface extérieure du profilé plat au moyen d'un intercalaire anti-collant, siliconé ou sulfurisé, par exemple. [0025] La quantité d'huile d'extension du gel élastomère peut être avantageusement supérieure à 500 pce. Une gamme préférentielle est comprise entre 500 et 1000 pce. [0026] Une huile d'extension préférentielle est le polyisobutylène, notamment pour une application comme couche auto-obturante d'un bandage pneumatique. Description brève des dessins [0027] Tous les détails de réalisation sont donnés dans la description qui suit, complétée par les figures 1 à 5, dans lesquelles : - la figure 1 présente en vue de côté un dispositif de préparation d'un profilé plat selon l'invention ; - la figure 2 présente le dispositif de la figure en vue de dessus ; 25 - la figure 3 présente en vue de côté une filière du dispositif ; - 6
- les figures 4a, 4b et 4c présentent en vue de dessus et en coupes partielles une filière du dispositif ; - la figure 5 présente une vue en coupe du bain de refroidissement. Description détaillée des dessins [0028] Les figures 1 et 2 présentent en vue de côté et de dessus, et de façon schématique, un dispositif 10 de préparation d'un profilé plat d'un gel thermoplastique élastomère. [0029] Ce dispositif comprend un outil d'extrusion, avantageusement une extrudeuse bi vis 12, un bain de refroidissement 36 et des moyens de convoyage 40 et de stockage 10 50. [0030] L'extrudeuse 12 comprend deux vis placées dans un fourreau 14 qui tournent dans le même sens. Au moins deux alimentations, la première 16 pour les constituants solides et une autre non représentée pour les constituants liquides, permettent d'introduire les constituants du gel thermoplastique dans le fourreau 14. L'alimentation 15 16 est utilisée pour introduire le constituant thermoplastique sous forme de granulés ou de poudres. Elle comprend un réservoir 18, un fourreau 20 pour deux vis d'alimentation et un cône d'introduction 22. Les constituants liquides du gel sont introduits usuellement en aval de la première alimentation. [0031] A la sortie 32 du fourreau 14 de l'extrudeuse 12 se trouve une filière 34 de 20 dimensions adaptées aux dimensions du profilé plat attendu. [0032] On trouve ensuite un bain de refroidissement 36 rempli d'eau réfrigérée. [0033] La distance libre entre la sortie de la filière 34 et la surface 38 du bain de refroidissement 36 doit être la plus faible possible pour permettre une application régulière de l'extrudat pratiquement liquide sur la surface du bain. Une distance 25 inférieure à 15 mm est utile, on peut descendre jusqu'à de l'ordre de 5 mm. Il est souhaitable de n'avoir aucun contact entre l'eau et le bas de la filière pour ne pas perturber son équilibre thermique. -7
[0034] Les moyens de convoyage comprennent une bande transporteuse 40 sans fin et deux rouleaux 44, 48, d'intercalaires. L'intercalaire 42 est destiné à protéger la face inférieure du profilé plat et l'intercalaire 46 sa face supérieure (il est à noter que cet intercalaire 46 et le rouleau 48 ne sont pas représentés à la figure 2 pour des raisons de clarté). [0035] Les moyens de stockage comprennent un rouleau de stockage 50 du profilé plat 6 revêtu des deux côtés par un intercalaire. [0036] La flèche S indique le sens de déplacement de la matière. [0037] La figure 3 présente schématiquement une vue en coupe de la sortie de la filière 34. L'extrudat 2, matériau plastique de faible viscosité dans la filière 34, est extrudée de celle-ci et est recueilli par la surface 38 du bain de refroidissement. La flèche indique le sens de déplacement de la matière. L'axe de la filière fait un angle a avec l'horizontal. [0038] La figure 4 montre une vue de dessus d'une demi-filière. La figure 4a présente la sortie 32 de l'extrudeuse 12 ainsi que la zone d'écoulement 33 du gel élastomère thermoplastique à travers la filière. Une gorge 31 adjacente à la sortie 32 (voir figures 4b et 4c) permet de distribuer le gel visqueux sur l'ensemble de la zone d'écoulement 33. [0039] La figure 5 illustre en coupe le bain de refroidissement 36. Le bain est rempli de préférence d'eau et comprend un serpentin 37 où circule un fluide de refroidissement pour conserver la température de l'eau en dessous de 30 degrés Celsius par exemple. Des moyens de brassage (non représentés) sont aussi prévus pour assurer un mouvement d'homogénéisation de la température dans le bain qui induisent un courant de surface orienté dans le sens de déplacement du profilé plat 4 à la surface 38 du bain de refroidissement. Ce mouvement est illustré par la flèche 39. [0040] Le fonctionnement du dispositif 10 est le suivant. -8
[0041] Les constituants élémentaires du gel thermoplastique élastomère sont introduits dans les deux alimentations 18 sous forme de poudres ou de granulés pour l'élastomère et sous forme liquide (plus ou moins visqueux) pour l'huile d'extension. [0042] Le fourreau 14 est chauffé pour permettre aux actions mécaniques et thermiques combinées de plastifier l'élastomère et d'obtenir un matériau plastique visqueux homogène. La température à l'intérieur du fourreau peut aller de 200 à 320 degrés Celsius. A la sortie 32 de l'extrudeuse 12, l'extrudat est sous forme liquide et a pratiquement la consistance de l'eau. Il est alors extrudé dans la filière 34 qui le répartit de façon à obtenir un profilé plat de dimensions appropriées. La température en sortie de la filière peut encore être de l'ordre de 180 à 220 degrés. Des réglages fins de température des diverses parties de la filière permettent de régler finement l'homogénéité géométrique de l'écoulement en sortie de la filière. [0043] L'extrudat 2 en sortie de la filière est recueilli par la surface 38 du bain de refroidissement et chemine progressivement le long de ce bain en se refroidissant. On règle le refroidissement de l'eau du bain de refroidissement pour que la température de cette eau ne dépasse pas 30 degrés. On homogénéise aussi la température de ce bain comme il a été décrit. [0044] A l'extrémité du bain de refroidissement, la température du profilé plat 4 est proche de 30 degrés et ce profilé a maintenant des propriétés élastiques. Il reste particulièrement collant. Il est alors repris par la bande de transport 40 sur laquelle est déroulé l'intercalaire inférieur 42 dont la surface extérieure, en contact avec le gel, est anti-collante, papier siliconé ou sulfurisé par exemple. La vitesse de déplacement de la bande de transport peut être, comme bien connu de l'homme du métier, légèrement supérieure, égale ou même légèrement inférieure à la vitesse de sortie de l'écoulement de la filière pour régler finement l'épaisseur du profilé plat. [0045] Au cours de son transfert sur la bande de transport, on peut appliquer un intercalaire sur la paroi supérieure du profilé plat pour le protéger lors de son stockage. On enroule enfin pour le stocker le profilé protégé 6 autour du rouleau 50. -9
[0046] Des essais ont été réalisés en utilisant comme élastomère un SEBS de la société Kraton, le G1654 et comme huile d'extension du polyisobutylène Dynapak 190 ou PIB. Le taux de PIB était de 85%, celui de l'élastomère de 15%. Ce PIB utilisé à ce taux entraîne un caractère particulièrement collant du gel obtenu. Le procédé et le dispositif selon l'invention ont permis de mélanger et de réaliser un profilé plat de dimensions diverses, jusqu'à 400 mm de largeur et de 1 à 4 mm d'épaisseur. La régularité du profilé plat obtenu a été excellente. Le dispositif selon l'invention permet de régler et ajuster finement l'épaisseur du profilé plat pendant la première partie de son refroidissement sans être perturbé par la caractère très collant du gel obtenu. [0047] Après son stockage, les profilés obtenus peuvent être coupés à dimension et être utilisés comme semi-fini pour la fabrication de bandages pneumatiques. On peut notamment, de façon usuelle, appliquer en premier un profilé de gel thermoplastique sur un tambour de confection et ensuite appliquer l'ensemble des autres constituants du pneumatique et vulcaniser le bandage obtenu. La couche de gel élastomère est ainsi disposée à la surface intérieure de la cavité de l'enveloppe. Cette couche a des propriétés remarquable d'auto-oburation des crevaisons subies par le pneumatique en roulage. [0048] On peut aussi appliquer cette couche entre deux couches de mélange caoutchouteux. La couche de gel thermoplastique auto-obturante est alors disposée à 20 l'intérieur de la structure du pneumatique obtenu. [0049] On peut enfin appliquer le profilé directement sur la surface intérieure du bandage pneumatique après sa vulcanisation en profitant de son remarquable caractère collant. [0050] L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés et diverses 25 modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre défini par les revendications annexées.20

Claims (21)

REVENDICATIONS
1. Dispositif de préparation d'un profilé plat d'un gel thermoplastique élastomère comportant : - un outil d'extrusion avec au moins une alimentation et une sortie ; - une filière de section adaptée au profil du profilé plat ; - des moyens de refroidissement en sortie de la filière ; et - un support plan mobile pour recevoir le profilé ; caractérisé en ce que les moyens de refroidissement comprennent un bain de refroidissement liquide à la surface libre duquel est recueilli et refroidi le profilé plat, ladite surface libre étant disposée entre la sortie de la filière et le support plan mobile, et à proximité immédiate de la sortie de la filière.
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le liquide du bain de refroidissement 15 a une densité supérieure à celle d'un gel thermoplastique élastomère.
3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel la distance libre entre l'extrémité de la filière et la surface libre du bain de refroidissement liquide est inférieure à 50 mm.
4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel la distance libre entre l'extrémité de la filière et la surface libre du bain de refroidissement liquide est inférieure à 10 mm.
5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel l'angle d'inclinaison du 25 plan de la filière relativement à l'horizontale est compris entre 20 et 70 degrés.
6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le liquide du bain de refroidissement est réfrigéré. 30
7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel le liquide du bain de refroidissement est réfrigéré par passage d'un fluide refroidi dans un serpentin disposé dans le liquide 10-11- du bain de refroidissement à proximité de la surface de liquide dudit bain de refroidissement.
8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le bain de 5 refroidissement comporte des moyens de brassage du liquide.
9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel les moyens de brassage induisent un courant de surface orienté dans le sens du déplacement du profilé plat à la surface du liquide du bain de refroidissement.
10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel le liquide du bain de refroidissement est constitué d'eau.
11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel l'outil d'extrusion 15 comprend au moins une alimentation pour des composants solides et une alimentation pour des composants liquides.
12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'outil d'extrusion est une extrudeuse bi-vis. 20
13. Procédé de réalisation d'un profilé plat d'un gel élastomère comportant au moins, à titre d'élastomère majoritaire, un élastomère thermoplastique styrénique (dit TPS ) et plus de 200 pce d'une huile d'extension au moyen d'un outil d'extrusion avec au moins une alimentation et une sortie comprenant les étapes suivantes : 25 - introduire les constituants du profilé dans la ou les alimentations de l'outil d'extrusion ; - plastifier et mélanger les constituants pour obtenir un matériau plastique homogène ; - distribuer le matériau plastique à la sortie de l'outil d'extrusion avec une filière de section adaptée au profil du profilé plat ; 30 - refroidir le matériau plastique pour obtenir le profilé ; et - recevoir le profilé sur un support plan mobile ; 10 25-12 - caractérisé en ce que l'étape de refroidissement comporte les étapes suivantes : - extruder le matériau plastique dans l'air ; et - recevoir et convoyer le matériau plastique sur la surface libre d'un bain de refroidissement liquide.
14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel, l'outil d'extrusion comportant au moins une alimentation pour des composants solides et une alimentation pour des composants liquides, les composants introduits dans lesdites alimentations sont les composants élémentaires du profilé.
15. Procédé selon l'une des revendications 13 et 14, dans lequel, on reçoit le profilé plat sur un intercalaire anti-collant disposé sur le support plan mobile.
16. Procédé selon la revendication 15, dans lequel on applique sur la surface extérieure 15 du profilé plat un intercalaire anti-collant.
17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 15 et 16, dans lequel l'intercalaire anti-collant est un papier siliconé ou sulfurisé. 20
18. Procédé selon l'une des revendications 13 à 17, dans lequel la quantité d'huile d'extension est supérieure à 500 pce.
19. Procédé selon la revendication 18, dans lequel la quantité d'huile d'extension est comprise entre 500 et 1000 pce.
20. Procédé selon l'une des revendications 13 à 19, dans lequel l'huile d'extension est composée au moins en partie de polyisobutylène.
21. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 20, comportant en plus une 30 étape d'incorporation du profilé plat dans la structure ou sur la surface d'un bandage pneumatique.
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